动态红外场景准直投射光学系统的设计

       1　引　言

　　随着愈来愈多的红外成像跟踪制导系统的开发和研制,其测试评估方法也发生了重大变化。利用动态红外景像半实物仿真技术,不仅可对红外系统进行快速实时的测试与评估,还可用来进行红外场景的投射,模拟真实的红外景像。

　　动态红外场景模拟系统一般由红外场景发生子系统、控制电子箱子系统、准直投射光学子系统、安装平台子系统及软件控制子系统组成,如图1所示。此红外场景发生系统是利用可见2红外图像转换器来进行可见光写入、实现可见光到红外图像的实时转换,控制软件利用主控计算机对红外场景发生系统进行校正标定,对被测系统的输出信号进行处理,控制模拟过程,分析、显示测试结果。

　　2　原理简述[1, 3]

　　此红外模拟系统采用红外液晶光阀作为目标仿真器,液晶光阀是一种具有双折射效应和扭曲旋光效应的可见2红外图像变换器件。整个模拟系统的光路如图2所示。由计算机生成具有红外特征的目标/背景灰度图像,经输送至15″TFT-LCD液晶屏,灰度图像经缩小后被投射到红外液晶光阀上,从黑体发射的红外辐射经准直物镜,投射到红外偏振器上,再被红外偏振器反射到光阀上,可见光的灰度图像在液晶光阀上产生光电2电光效应,对应像素点的双折射率发生变化,引起红外辐射偏振态矢量发生变化:液晶使红外辐射得到调制,并经红外反射镜反射后,经液晶每一次扭曲获得附加调制,它的正交偏振分量可通过红外偏振分光器。这样,可见光图像就转换成红外图像,以光阀为焦平面安装一准直投射光学系统,即可模拟来自无穷远的红外目标场景。

　　由原理可以看出,准直投射光学系统对整个模拟系统至关重要。

　　3　设计思想[2, 5]

　　与可见光相比,红外光学系统必须具有大的通光孔径和大的相对孔径以收集更多的红外辐射,它的工作波段宽,与可见光相比,像差校正困难,红外光学材料如锗、硅的折射率都比较高,需要镀增透膜来减少反射损失。根据红外光学系统的特点,在设计时应遵循以下原则:

　　1)光学材料的选用,应保证在工作波段有较高的光学透过率;

　　2)光学元件在加工工艺允许的范围内,使接收口径和相对孔径尽可能大以保证接收更多的能量,有较高的灵敏度。

　　3. 1　光学参数的确定

　　已知实际被测光电系统工作在8~12μm波段,物镜孔径的确定,一方面要考虑测试的需要及目标的红外辐射强度;另一方面还要考虑系统的工作波段,因为对长波而言,衍射较为严重,要提高光学系统分辨率,则需要采用大孔径的物镜。根据被测光电系统的视场可确定投射系统的视场,已知光阀的有效直径为40mm,由视场、光阀大小即可确定焦距。由原理可知,整个光学系统倒置使用,光阀位于光学系统的焦平面上,红外偏振片置于光阀和投射系统之间,这就要求光学系统应有长的工作距离。另外,光学系统前应保留一定的空间来放置被测光电系统,为了让光学系统的能量都进入被测光电系统,光学系统的出瞳(光学系统倒置使用时,入瞳位置即为出瞳位置)应和被测光电系统的入瞳相匹配,这样,光学系统的出瞳应位于镜组外且有一定的出瞳距离。投射系统分辨率,由于受被测系统和液晶光阀的分辨率限制,足够使用即可。